TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, gh

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này

Sự ra đời của hệ thống WIMAX đã mang lại một cuộc cách mạng cho hệ thống vô tuyến và mạng internet trên toàn thế giới Hệ thống WIMAX đã đáp ứng được các nhược điểm của mạng vô tuyến truyền thống Nhờ vào kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hệ thống WIMAX đã tiết kiệm được băng thông một cách đáng kể

Ngoài ra trong những năm gần đây, sự bùng nổ của mạng vô tuyến, khả năng liên lạc vô tuyến gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện thoại di động và một số thiết bị khác Với tính năng ưu việt về kết nối và khả năng đáp ứng của nhu cầu ngày càng cao của con người, hệ thống WIMAX đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển thông tin

Từ những ưu điểm của OFDM và của hệ thống WIMAX trong tương lai, em

thực hiện đề tài “TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX”

Nội dung của đồ án được chia thành 3 chương :

Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM

Trong chương này giới thiệu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM Trình bày các đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM

Chương 2 : Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WIMAX

Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WIMAX

Chương 3 : Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong WIMAX

Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng

Trong thời gian làm đồ án, mặc dù đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên đồ án còn nhiều sai sót Kính mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn Thạc sỹ Hồ Mạnh Cường đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU i

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1

1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 9

1.6 NGUYÊN LÝ GI I I U CH OFDM Ả Đ Ề Ế 11

1.7 ĐẶ C TÍNH KÊNH TRUY N TRONG K THU T OFDM Ề Ỹ Ậ 12

1.7.1 Sự suy hao 12

1.7.2 Nhiễu AWGN 12

1.7.3 Trải trễ 13

1.7.4 Dịch Doppler 13

1.8 NH H Ả ƯỞ NG C A FADING A Ủ Đ ĐƯỜ NG TRONG OFDM 13

1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường 13

1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI 14

1.9 B O V CH NG L I NH H Ả Ệ Ố Ạ Ả ƯỞ NG FADING A Đ ĐƯỜ NG 15

1.9.1 Tiền tố lặp CP 15

CHƯƠNG 2 19

ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 19

2.1 GI I THI U V WIMAX Ớ Ệ Ề 19

2.2 H TH NG WIMAX Ệ Ố 19

2.2.1 Cấu trúc của WIMAX 19

2.2.2 Mô hình hệ thống WIMAX 23

2.3 CÁC V N Ấ ĐỀ Ỹ K THU T C A H TH NG WIMAX Ậ Ủ Ệ Ố 24

2.5 CÁC CHU N C A WIMAX Ẩ Ủ 27

2.5.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 28

2.5.2 Chuẩn IEEE 802.16a –2003 28

2.5.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 29

2.5.4 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 29

2.7.1 Ưu điểm 32

2.8.2 Các mạng công cộng 34

3.1 GI I THI U K THU T OFDMA Ớ Ệ Ỹ Ậ 37

3.2 ĐẶ Đ Ể C I M C A OFDMA Ủ 37

3.5 I U CH THÍCH NGHI Đ Ề Ế 42

3.6 I U KHI N CÔNG SU T Đ Ề Ể Ấ 43

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

MỞ ĐẦU i

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1

1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 9

1.6 NGUYÊN LÝ GI I I U CH OFDM Ả Đ Ề Ế 11

1.7 ĐẶ C TÍNH KÊNH TRUY N TRONG K THU T OFDM Ề Ỹ Ậ 12

1.7.1 Sự suy hao 12

1.7.2 Nhiễu AWGN 12

1.7.3 Trải trễ 13

1.7.4 Dịch Doppler 13

1.8 NH H Ả ƯỞ NG C A FADING A Ủ Đ ĐƯỜ NG TRONG OFDM 13

1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường 13

1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI 14

1.9 B O V CH NG L I NH H Ả Ệ Ố Ạ Ả ƯỞ NG FADING A Đ ĐƯỜ NG 15

1.9.1 Tiền tố lặp CP 15

CHƯƠNG 2 19

ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 19

2.1 GI I THI U V WIMAX Ớ Ệ Ề 19

2.2 H TH NG WIMAX Ệ Ố 19

2.2.1 Cấu trúc của WIMAX 19

2.2.2 Mô hình hệ thống WIMAX 23

2.3 CÁC V N Ấ ĐỀ Ỹ K THU T C A H TH NG WIMAX Ậ Ủ Ệ Ố 24

2.5 CÁC CHU N C A WIMAX Ẩ Ủ 27

2.5.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 28

2.5.2 Chuẩn IEEE 802.16a –2003 28

2.5.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 29

2.5.4 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 29

2.7.1 Ưu điểm 32

2.8.2 Các mạng công cộng 34

3.1 GI I THI U K THU T OFDMA Ớ Ệ Ỹ Ậ 37

3.2 ĐẶ Đ Ể C I M C A OFDMA Ủ 37

3.5 I U CH THÍCH NGHI Đ Ề Ế 42

3.6 I U KHI N CÔNG SU T Đ Ề Ể Ấ 43

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh chuẩn 802.16,802.16a,802.16e

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Hình 1.3 Phổ tín hiệu của hệ thống các kênh con

Hình 1.4 Phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang

Hình 1.6 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

Hình 1.7 Sự trực giao trong tín hiệu OFDM

Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM

Hình 1.12 Tín hiệu OFDM và nhiễu

Hình 1.13 Nhiễu liên ký tự ISI

Hình 1.14 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Hình 1.15 Mô tả tiền tố lặp

Hình 1.16 Tín hiệu OFDM khi có CP

Hình 2.2 Phân lớp của WIMAX so với mô hình OSI

Hình 2.4 Mô hình ứng dụng cố định

Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA

Hình 3.5 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian

Hình 3.6 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

Hình 3.9 Điều chế thích nghi

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

system

Hệ thống phát thanh số

FEC Forward error corection Mã hóa sửa lỗi trước

Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT Inverse fast fourier transform Biến đổi fourier ngược nhanh

WIMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với

truy nhập viba

Network

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT OFDM

Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách đây hơn 40 năm :

• Năm 1966, R.W Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ

• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc) Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT(Biến đổi fourier ngược nhanh) cho bộ điều chế OFDM và FFT(Biến đổi fourier nhanh) cho bộ giải điều chế OFDM

• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI

• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp

Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được

sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu

Âu

1.2 TỪ ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG ĐẾN ĐIỀU CHẾ THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM

1.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Trong phương thức điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được điều chế trên toàn bộ băng tần B,có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mẫu tín hiệu có độ dài là:

T SC 1

B

Kí hiệu : Tsc là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s)

B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz)

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Phổ tín hiệu của hệ thống được mô tả như ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ thống được điều chế trên sóng mang là f0 Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh

vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ Do vậy, phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau:

• Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn Điều này được giải thích như sau: giả thiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh là τmax, tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu Tsc là :

Mật độ phổ năng lượng

Tần số

m sc SC

R T

τ

Tỷ số này lớn hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang Điều này được giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nên nhiễu liên tín hiệu ISI(Inter-Symbol Interference) ở nhiều mẫu tín hiệu thu

• Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay được sử dụng chủ yếu trong

hệ thống thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm kể trên

1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ phần băng tần của

hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang con cho mỗi băng con là khác nhau Ý tưởng của phương pháp này được mô tả ở hình 1.2 :

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm N C =2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

s

C

B f N

Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N C lần

so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

MC max SC

MC C

R R

• Ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể

• Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency selectivity effect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ

• Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhược điểm cơ bản:

• Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity).Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

b)

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất sử dụng phổ Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế

đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

1.2.3 Phương pháp điều chế theo tần số trực giao OFDM

Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang con được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang con là trực giao với các sóng mang con còn lại Nhờ sự trực giao này phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau Điều này làm hiệu quả

sử dụng phổ của hệ thống tăng lên rõ rệt Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.3:

Hình 1.3 Phổ tín hiệu của hệ thống các kênh con

a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1 kênh con

b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con

1.3 KHÁI NIỆM VỀ OFDM

OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao Kỹ thuật điều chế OFDM về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của

b)

phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu.

Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn lên nhau làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu

Hình 1.4 Phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang trực giao

Biến đổi

số - tương tự

Kênh truyền

Biến đổi tương tự-số

Tách chuỗi bảo vệIFFT

Cân bằng kênh

Giải điều chế ở băng tần cơ sởData

AWGN

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM

Tổng quan hệ thống OFDM được mô tả như ở hình 1.5 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và được chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua

bộ biến đổi số-tương tự trước khi được truyền trên kênh truyền qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở cả phía phát và phía thu,

và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

Máy thu thực hiện chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa tới bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.5 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ OFDM

1.5.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách

Tách tín hiệu dẫn đường

Khôi phục kênh truyền

sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không

có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0

Hình 1.6 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

Trong miền tần số, để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ của hàm sin(x)/x Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang Hiện tượng trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các sóng mang khác về mặt tần số

Hình 1.7 Sự trực giao trong tín hiệu OFDM 1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM

Hình 1.8 Sơ đồ bộ điều chế OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con

là n, n ∈ {−L,−L+1, ,−1,0,1, ,L−1,L}, nên NFFT=2L+1 Dòng dữ liệu đầu vào{ }a l

chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song{ }a l lại được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mứcd k,n, n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức

Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường sử dụng là M-QAM, QPSK…

Các mẫu tín hiệu phát d ,n được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với

hàm phức ejLωst làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau.Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau

Xung cơ sở

Xung cơ sở

Xung cơ sở

a,+

n i

a,

L i

a,−

L k

d ,+

n

d ,

L k

d ,−

m’(t) m(t)

t j n

t j n

1.5.3 Phép nhân với xung cơ bản

Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ bản Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác.Trong OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG

T 0

1.6 NGUYÊN LÝ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM

Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế Các bước giải điều chế bao gồm :

• Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

• Nhân với hàm số phức ejnws t (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế )

• Giải điều chế các sóng mang con

• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

• Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

Tách khoảng bảo vệ:

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được

sẽ là:

u'(kT s +t) = u(kT+ í ) nếu 0<t<T s , ∀k (1.8)

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM

Tùy theo độ dài của chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh cũng như là điều kiện của kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ thuộc thời gian) ta sẽ có kết quả khác nhau sau khi giải điều chế

1.7 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM

1.7.1 Sự suy hao

Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt

để tối thiểu số lượng vật cản Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Vì thế, nó còn được gọi là fading chậm

1.7.3 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng

1.8 ẢNH HƯỞNG CỦA FADING ĐA ĐƯỜNG TRONG OFDM

1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường

Hình 1.12 Tín hiệu OFDM và nhiễu

Tín hiệu OFDM trên kênh fading đa đường với độ trễ truyền dẫn lớn nhất

ax

m

τ Dưới tác dụng của kênh fading đa đường đối với tín hiệu OFDM, tín hiệu giải điều chế bên cạnh thành phần tín hiệu mong muốn và tạp âm nhiệt còn tồn tại hai thành phần nhiễu ISI và ICI Hình 1.12 biểu thị thành phần nhiễu ISI và ICI đối với tín hiệu Chúng ta cần phải loại trừ những thành phần nhiễu này để tách tín hiệu

1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI) ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

Hình 1.13 Nhiễu liên ký tự ISI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) như ở hình 1.14

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong

hệ thống OFDM

Path #1Path #2Path #3Received signal

Time

ký tự).

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

Ta có: TS = Tg + TFFT

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy nhiên, nó

phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM

Tín hiệu trễ cuối cùngTín hiệu trễ

Tín hiệu trực tiếp

Ký tự OFDM khi mở rộng vòng

Ký tự OFDM có íchcopy

Hình 1.15 Mô tả tiền tố lặp